Precieze warmteoverdrachtsgegevens voor puur ijzer: de sleutel tot het simuleren van industriële processen

Inleiding

Door zijn uitstekende magnetische en thermofysische eigenschappen wordt puur ijzer vaak gebruikt in elektromagnetische componenten waar een efficiënte warmteoverdracht essentieel is. Voorbeelden zijn transformatorkernen, elektromotoren, inductiespoelen en componenten in vermogenselektronica, waar zowel magnetische als thermische spanningen optreden. Nauwkeurig begrip van de thermische eigenschappen over een breed temperatuurbereik is daarom essentieel voor het betrouwbaar ontwerpen van componenten en het nauwkeurig simuleren van hun operationele gedrag onder echte omstandigheden.

Kennis van Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid is cruciaal, omdat deze in belangrijke mate bepaalt hoe efficiënt warmte wordt getransporteerd binnen een materiaal. In toepassingen met puur ijzer, met name in elektromagnetische componenten, heeft het een directe invloed op de temperatuurverdeling, warmteafvoer en dus op de bedrijfszekerheid en levensduur van de componenten. Onvoldoende warmteafvoer kan leiden tot plaatselijke oververhitting, verminderde efficiëntie of zelfs defecten. Daarom is een nauwkeurig begrip van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid essentieel voor het thermische ontwerp, de optimalisatie en de simulatie van industriële systemen.

Methode en meetomstandigheden

Laser flash analysis (LFA, zie figuur 1) wordt voornamelijk gebruikt om de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie (α) van een materiaal te bepalen. In combinatie met de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid (ρ) en de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (_{Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp}) kan de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid (λ) worden berekend (λ = α - _{Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp} - ρ).

Tijdens de meting wordt de onderkant van het monster verwarmd door een korte laserpuls. De resulterende temperatuurstijging aan de tegenoverliggende zijde wordt gedetecteerd met een infrarooddetector. De Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van het materiaal kan dan worden bepaald op basis van dit temperatuurprofiel in de tijd en bijbehorende wiskundige modellen.

Met behulp van een speciale saffieren monsterhouder voor gesmolten metalen (zie afbeelding 2) werd de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van een zuiver ijzermonster continu gemeten met de LFA 707 StratoFlash^® Classic tijdens de overgang van de vaste naar de vloeibare toestand.

De Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (_{Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp}) werd bepaald in het temperatuurbereik van kamertemperatuur tot 1600 °C met de DSC 500 Pegasus^®, uitgerust met een rhodiumoven. De meetomstandigheden staan vermeld in tabel 1.

Tabel 1: LFA meetomstandigheden

Resultaten en discussie

Figuur 3 toont het typische gedrag van zuiver ijzer, inclusief de Curie overgang (≈770°C). Zowel de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie (rode curve) als de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (zwarte curve) vertonen duidelijke veranderingen op dit punt, met respectievelijk een lokaal minimum en maximum. De Curie-overgang is dus duidelijk te zien in de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie en de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit, terwijl de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid (blauwe curve) geen effect vertoont in dit gebied. In het smelttraject boven 1525°C nemen de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie en de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid significant af omdat de roosterstructuur uiteenvalt en warmtetransport via fononen niet meer optreedt.

Samenvatting

Van vast naar vloeibaar: Met behulp van de LFA 707 StratoFlash^® Classic , uitgerust met een speciale saffier monsterhouder, kunnen metalen continu gekarakteriseerd worden tot aan de smelt. De resulterende gegevens bieden waardevolle inzichten in het temperatuurafhankelijke gedrag van de warmtegeleiding en vormen een betrouwbare basis voor simulatie, materiaalselectie en optimalisatie van componenten, zelfs onder extreme bedrijfsomstandigheden.